论文总字数：19946字

目 录

第一章 绪论 6

1.1 课题背景以及意义 6

1.2 MFC的基本介绍 6

1.2.1微生物燃料电池的基本特点、性能与原理 6

1.2.2 微生物燃料电池的分类 7

1.2.3 微生物燃料电池的阳极材料 8

1.2.4 微生物燃料电池的阴极材料 9

1.2.5 微生物燃料电池的应用 9

1.3 国内外的研究现状 9

1.4 本文的研究内容和研究目的 10

1.4.1研究目的 10

1.4.2 研究内容 10

第二章 实验材料与方法 11

2.1 主要仪器 11

2.2 实验试剂 11

2.3 微生物燃料电池系统的构建与启动 12

2.3.1微生物燃料电池系统的构建 12

2.3.2实验菌株 13

2.3.3营养液的配置 13

2.3.4 微生物燃料电池的启动 14

2.4 电极制备 14

2.4.1 阴极制备 14

2.4.2 MnO₂/HNT复合材料的制备 15

2.4.3 阳极制备 15

2.5 MFC产电系统评价指标 15

第三章 结果与讨论 17

3.1 MnO₂/HNT纳米复合材料的结构分析 17

3.2 不同改性阳极MFCs的电气性能 18

3.2.1 MFCs的发电和库伦效率 18

3.2.2 功率密度-电流密度曲线和伏安曲线 19

3.3 阳极表面的润湿性 21

3.4 不同阳极的动力学特性 22

3.5 阳极生物膜的形态 23

第四章 结论与展望 25

4.1 结论 25

4.2 展望 25

参考文献： 26

致 谢 28

二氧化锰/埃洛石碳纳米管改性阳极对微生物燃料电池的影响

夏文君

, China

Abstract: This paper presents a novel and effective modified anode which fabricated by dispersing manganese dioxide (MnO₂) and Halloysite nanotube (HNT) on carbon cloth and discussed how to improve MFCs’ power production. In order to improve the power production of electrode, we use the material MnO₂/HNT nanocomposites as research subjects and investigate the power production of MFCs with modified anode. The experimental results are shown below:

(1) 75 wt% MnO₂/HNT modified anode has the maximum power density of 767.3 mW/m², 17.8% more than non-modified anode (631 mW/m²), their coulomb efficiency were 6.34%, 7.65 %, respectively.

(2) 75 wt% MnO₂/HNT modified anode showed a maximum peak current output of 6.8 mA, whose electrochemical activity of the anode biofilm is the highest.

(3) By the wettability of anode surface and scanning electron microscopy we found that the -OH hydrophilic functional group improves the transmission capacity of electrons. With the increase of wettability of anode surface and roughness of carbon fiber, the performance of MFCs was improved.

Keywords: Microbial fuel cell, Manganese oxide/Halloysite nanotube, Modified anodes, Carbon cloth, Power density.

第一章 绪论

1.1 课题背景以及意义

随着经济的快速发展，人类对能源的需求逐渐增长，能源问题是影响人类发展与进步的核心，不少国际战事都与能源有密切的关系^[1]。能源缺乏是一个全世界国家正在面临的刻不容缓的问题。一方面，世界人口正在不断地增长，人均能耗占有比不断增加。另一方面，从工业革命起，人类就开始开发利用各种矿产资源，现如今，石油、煤炭等不可再生的传统化石资源储备量严重不足，以当前的煤油储备量来分析，全球开发量客观估计一百年左右，保守估计三十到五十年之间^[2]。环境污染的问题也不能轻视，全球变暖，酸雨，臭氧层破坏，尤其是水污染。这些年来，我国污废水排放量以每年18亿立方米的速度增长，全国每天工业废水和生活污水的排放量将近1.64亿立方米，其中80%未处理直接排放到水域中。在我国，90%以上的城市水域严重污染，近50%的重点城镇水源不符合饮用水标准^[3]。为了解决能源紧张和环境污染这两大日趋严重的问题，人们开始高度关注与重视新型可再生能源的开发和利用^[4-5]，有着巨大的发展前景。微生物燃料电池利用微生物催化把化学能转化为电能，在净化污水的同时产生电能，是洁净的可再生能源技术，有很大的发展空间，为可持续发展提供了一条有效途径。微生物燃料电池一方面可以处理污废水，另一方面利用污废水中的有机物质作为原料产生电能，而产生的电能又可以反过来继续处理污废水。MFC具有操作条件温和，反应产物无污染，能量利用率高，生物相容性好的优点，对实际投产有很大意义，引起了许多学者的研究兴趣。

1.2 MFC的基本介绍

1.2.1微生物燃料电池的基本特点、性能与原理

微生物燃料电池(MFC)是由阳极区和阴极区组成的，是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，MFC的阳极区与阴极区的中间用质子交换膜(PEM)分开^[6]。MFC的基本原理是微生物在阳极氧化葡萄糖、多糖等有机物质时释放出质子和电子，质子通过质子交换膜传递并且和在生物组分与阳极之间进行传递的电子一起到达阴极，在有催化剂存在的情况下，与氧结合形成了水分子^[7]。原理示意图如图1所示。以微生物代谢葡萄糖为例，电极反应如下：

阳极：C₆H₁₂O₆＋6H₂O→6CO₂＋24H ＋24e^-

阴极：6O₂＋24H ＋24e^-→12H₂O

图1 微生物燃料电池示意图

由于研究者将微生物产电原理应用于污水处理过程中并发现此方法可以同时实现电能的产生和去除废水中有机污染物，因此人们广泛地关注了MFC的发展，并且MFC已经成为水污染控制领域的热点之一^[8]。目前国内外将提高MFC的产电能力、降低成本并优化系统作为研究重点，因为MFC的输出电能密度比较低^[9]。

1.2.2 微生物燃料电池的分类

MFC根据电子传递方式可分为直接和间接两种。直接的MFC是指燃料在催化剂的作用下，直接在电极上发生氧化还原反应。如果燃料是在电解液中或者其它的地方发生反应，电子利用氧化还原介体传递到电极上的MFC就是间接的。

根据反应器构造的不同可分为双室和单室两种。双室MFC结构更简单。

根据微生物营养类型的不同可分为异养型，光能异养型和沉积物型三种。异养微生物燃料电池是指废水中的有机物被厌氧菌氧化从而产生电能；光能异养微生物燃料电池是指光能异养菌利用光能和有机物，把电极当作电子受体输出电能；沉积物微生物燃料电池是微生物利用液相与沉积物之间的电势差产生电能。

根据阴极的生物特性可分为生物阴极微生物燃料电池和非生物阴极微生物燃料电池两种。非生物阴极是利用电极催化材料例如Pt或电子传递介质把电子传递给电子受体；生物阴极则是利用微生物参与阴极反应，把电子传递给电子受体。图2 是微生物燃料电池的分类示意图。

图2 微生物燃料电池分类示意图

1.2.3 微生物燃料电池的阳极材料

在MFC体系中，阳极的微生物氧化底物中的有机物产生了电子和质子，其中电子由微生物传递到电极上，因此阳极材料需要满足以下条件：高比表面积和高孔隙率，这有利于微生物的大量附着；高导电率，有利于电子传递；无腐蚀性，使电极的使用寿命延长；价格低廉且容易获得，能够降低MFC的成本。常见的MFC阳极材料的种类有碳材料，如碳纸、碳布、碳纤维和碳网等以及石墨材料，如石墨棒、石墨毡、石墨泡沫、石墨纤维和石墨刷等。虽然金属材料的导电性比碳材料好，但是由于其无法满足阳极材料抗腐蚀性的要求，所以在MFC应用中不如碳材料。到现在，也只有不锈钢和钛材料被用作MFC阳极。

虽然碳材料的导电性比较好，但是碳元素的表面能态较高，导致其容易失去电子从而使表面表现出还原性，阳极微生物产生的电子要跃迁到碳电极就必须要消耗较高的能量，这就会造成较大的阳极活化过电势损失。所以，降低电极表面的能态，就可以有效地减少微生物燃料电池中阳极的活化过电势，是提高阳极性能的关键。通过对上述电极表面进行修饰来降低阳极的活化过电势，使其更有利于细菌附着和电子传递，可以显著提高MFC的性能。Sharma ^[10]等人在碳纸表面涂碳纳米管（CNT）来修饰，功率密度提高了6倍。Cheng^[11]等用氨气对碳布表面进行修饰，使MFC产电量提高了48%。Bibiana^[12]等对石墨毡电极表面进行修饰使其形成微孔结构，大大提高了电流密度。

1.2.4 微生物燃料电池的阴极材料

一般使用生物阴极、空气阴极和电解液阴极作为阴极材料。生物阴极是以微生物作为电子受体，一般是硫酸盐、硝酸盐和二氧化碳等化合物。电解液阴极是以电解液作为电子受体，使用最多的是铁氰化钾溶液。空气阴极是以空气中的氧气作为电子受体。由于标准电极电势较高，且最廉价易得，氧气是最常用的电子受体。为了提高阴极的性能，目前大多数MFC是使用铂（Pt）作为阴极催化剂。因为Pt具有良好的氧化还原活性和化学稳定性，是较好的催化剂。但是，正如大家所知，Pt是贵金属，价格昂贵，用它作为阴极催化剂，MFC的成本肯定会提高，所以现在许多学者在研究探索更多非贵金属，希望找到能代替Pt的合适的高效的催化剂。Part和Zeikus^[13]在实验中制作了不含贵金属的碳空气阴极MFC。

1.2.5 微生物燃料电池的应用

微生物燃料电池的应用前景非常广阔，主要体现在以下几个方面。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：19946字

相关图片展示：